反三角函數(Inverse Trigonometric Functions)

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三角函數你已知道 sin\sincos\costan\tan 各將一個角度映射到一個比值。自然的反向問題是:給定一個比值,是哪個角度產生了它?回答這個問題需要反三角函數(inverse trigonometric functions)——但有一個癥結。由於正弦和餘弦是週期函式,每隔 2π2\pi 就重複一次,因此在整個 R\mathbb{R}不是單射(not injective);有重複輸出值的函式無法在全域上求反。標準的補救方法是將每個函式**限制(restrict)**到一個較小的、函式嚴格單調因而是單射的定義域,然後在那裡求反。

反正弦(Arcsine)

在區間 [π2, π2]\left[-\dfrac{\pi}{2},\ \dfrac{\pi}{2}\right] 上,正弦函式從 1-1 嚴格遞增到 11——[1,1][-1, 1] 中的每個值恰好被取到一次。這個限制是單射的,因此有反函式。

**反正弦(arcsine)**定義為

arcsin:[1, 1][π2, π2],\arcsin : [-1,\ 1] \to \left[-\frac{\pi}{2},\ \frac{\pi}{2}\right],

其中 arcsinx\arcsin x[π2,π2]\left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] 中滿足 sinθ=x\sin\theta = x 的唯一角度 θ\theta

反函式關係給出兩個複合恆等式:

sin(arcsinx)=x對所有 x[1, 1],\sin(\arcsin x) = x \quad \text{對所有 } x \in [-1,\ 1], arcsin(sinθ)=θ對所有 θ[π2, π2].\arcsin(\sin\theta) = \theta \quad \text{對所有 } \theta \in \left[-\frac{\pi}{2},\ \frac{\pi}{2}\right].

第二個恆等式僅在限制區間上成立。在區間之外,arcsin(sinθ)\arcsin(\sin\theta) 給出 θ\theta[π2,π2]\left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] 中的代表值,而不是 θ\theta 本身。

反正弦的導函數

θ=arcsinx\theta = \arcsin x,所以 x=sinθx = \sin\thetaθ[π2,π2]\theta \in \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right]。對 xx 求導:

1=cosθdθdx.1 = \cos\theta \cdot \frac{d\theta}{dx}.

[π2,π2]\left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] 上,餘弦為非負,所以 cosθ=1sin2θ=1x2\cos\theta = \sqrt{1 - \sin^2\theta} = \sqrt{1 - x^2}。解出 dθdx\dfrac{d\theta}{dx}

arcsin(x)=11x2,x(1, 1).\arcsin'(x) = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}, \qquad x \in (-1,\ 1).

導函數在端點 x=±1x = \pm 1 處無定義,那裡 arcsin\arcsin 的圖形有垂直切線。

反餘弦(Arccosine)

在區間 [0,π][0, \pi] 上,餘弦函式從 11 嚴格遞減到 1-1。這個限制是單射的。

**反餘弦(arccosine)**定義為

arccos:[1, 1][0, π],\arccos : [-1,\ 1] \to [0,\ \pi],

其中 arccosx\arccos x[0,π][0, \pi] 中滿足 cosθ=x\cos\theta = x 的唯一角度 θ\theta

反餘弦的導函數

θ=arccosx\theta = \arccos x,所以 x=cosθx = \cos\theta。對 xx 求導得 1=sinθdθdx1 = -\sin\theta \cdot \dfrac{d\theta}{dx}。在 [0,π][0, \pi] 上,正弦為非負,所以 sinθ=1cos2θ=1x2\sin\theta = \sqrt{1 - \cos^2\theta} = \sqrt{1 - x^2}。解出:

arccos(x)=11x2,x(1, 1).\arccos'(x) = -\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}, \qquad x \in (-1,\ 1).

負號反映了 arccos\arccos 嚴格遞減的事實。

反正弦與反餘弦的關係

對所有 x[1,1]x \in [-1, 1]

arcsinx+arccosx=π2.\arcsin x + \arccos x = \frac{\pi}{2}.

證明。α=arcsinx\alpha = \arcsin x,所以 sinα=x\sin\alpha = xα[π2,π2]\alpha \in \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right]。於是

cos ⁣(π2α)=sinα=x,\cos\!\left(\frac{\pi}{2} - \alpha\right) = \sin\alpha = x,

π2α[0,π]\dfrac{\pi}{2} - \alpha \in [0, \pi]。由 arccos\arccos 定義的唯一性,得 arccosx=π2α\arccos x = \dfrac{\pi}{2} - \alpha,整理即得所要的恆等式。\square

這個恆等式讓你無需任何重新計算即可在 arcsin\arcsinarccos\arccos 之間轉換,也解釋了為何它們的導函數互為相反數。

反正切(Arctangent)

在開區間 (π2,π2)\left(-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right) 上,正切函式嚴格遞增且取遍每個實數值恰好一次。(端點被排除,因為 tan\tan 在那裡無定義。)

**反正切(arctangent)**定義為

arctan:R(π2, π2),\arctan : \mathbb{R} \to \left(-\frac{\pi}{2},\ \frac{\pi}{2}\right),

其中 arctanx\arctan x(π2,π2)\left(-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right) 中滿足 tanθ=x\tan\theta = x 的唯一角度 θ\theta

arcsin\arcsinarccos\arccos 不同,arctan\arctan 的定義域是整個 R\mathbb{R}。但值域有界,因此函式有兩條水平漸近線:

limx+arctanx=π2,limxarctanx=π2.\lim_{x \to +\infty} \arctan x = \frac{\pi}{2}, \qquad \lim_{x \to -\infty} \arctan x = -\frac{\pi}{2}.

反正切的導函數

θ=arctanx\theta = \arctan x,所以 tanθ=x\tan\theta = x。對 xx 求導:

sec2 ⁣θdθdx=1.\sec^2\!\theta \cdot \frac{d\theta}{dx} = 1.

利用畢達哥拉斯恆等式 sec2θ=1+tan2θ=1+x2\sec^2\theta = 1 + \tan^2\theta = 1 + x^2

arctan(x)=11+x2,xR.\arctan'(x) = \frac{1}{1 + x^2}, \qquad x \in \mathbb{R}.

這對所有實數 xx 都有定義,且恆為正,確認了 arctan\arctan 在整個定義域上嚴格遞增。

其他反三角函數

其餘三個反三角函數由將 cot\cotsec\seccsc\csc 限制在標準的單射區間上再求反得到。

**反餘切(Arccotangent)**是 cot\cot 限制在 (0,π)(0, \pi) 上的反函式:

arccot:R(0, π).\operatorname{arccot} : \mathbb{R} \to (0,\ \pi).

**反正割(Arcsecant)**是 sec\sec 限制在 [0,π]{π2}[0, \pi] \setminus \left\{\dfrac{\pi}{2}\right\} 上的反函式:

arcsec:(,1][1,+)[0, π]{π2}.\operatorname{arcsec} : (-\infty, -1] \cup [1, +\infty) \to [0,\ \pi] \setminus \left\{\frac{\pi}{2}\right\}.

**反餘割(Arccosecant)**是 csc\csc 限制在 [π2,π2]{0}\left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] \setminus \{0\} 上的反函式:

arccsc:(,1][1,+)[π2, π2]{0}.\operatorname{arccsc} : (-\infty, -1] \cup [1, +\infty) \to \left[-\frac{\pi}{2},\ \frac{\pi}{2}\right] \setminus \{0\}.

這三個函式在實際應用中出現較少。遇到時,通常可以改寫成 arcsin\arcsinarccos\arccosarctan\arctan 的形式。

導函數總覽

六個反三角函數的導函數,彙整供參考:

函式導函數導函數的定義域
arcsinx\arcsin x11x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}(1, 1)(-1,\ 1)
arccosx\arccos x11x2-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}(1, 1)(-1,\ 1)
arctanx\arctan x11+x2\dfrac{1}{1+x^2}R\mathbb{R}
arccotx\operatorname{arccot} x11+x2-\dfrac{1}{1+x^2}R\mathbb{R}
arcsecx\operatorname{arcsec} x1xx21\dfrac{1}{\lvert x \rvert\sqrt{x^2-1}}x>1\lvert x\rvert > 1
arccscx\operatorname{arccsc} x1xx21-\dfrac{1}{\lvert x \rvert \sqrt{x^2-1}}x>1\lvert x\rvert > 1

注意規律:arcsin\arcsinarccos\arccosarctan\arctanarccot\operatorname{arccot}arcsec\operatorname{arcsec}arccsc\operatorname{arccsc} 各對的導函數互為相反數。這反映了互補恆等式 arcsinx+arccosx=π2\arcsin x + \arccos x = \dfrac{\pi}{2}arctanx+arccotx=π2\arctan x + \operatorname{arccot} x = \dfrac{\pi}{2}

摘要

  • 由於 sin\sincos\costan\tan 在整個 R\mathbb{R} 上不是單射,它們的反函式需要限制到精心選取的嚴格單調區間上。
  • 反正弦arcsin:[1,1][π2,π2]\arcsin : [-1, 1] \to \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right],在 (1,1)(-1, 1) 上的導函數為 11x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}
  • 反餘弦arccos:[1,1][0,π]\arccos : [-1, 1] \to [0, \pi],在 (1,1)(-1, 1) 上的導函數為 11x2-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}};滿足恆等式 arcsinx+arccosx=π2\arcsin x + \arccos x = \dfrac{\pi}{2}
  • 反正切arctan:R(π2,π2)\arctan : \mathbb{R} \to \left(-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right),在 R\mathbb{R} 上的導函數為 11+x2\dfrac{1}{1+x^2};有水平漸近線 ±π2\pm\dfrac{\pi}{2}
  • 另外三個反函式 arccot\operatorname{arccot}arcsec\operatorname{arcsec}arccsc\operatorname{arccsc} 遵循相同的模式,有類似的限制定義域。
  • 所有六個導函數都透過反函式定理(對定義恆等式 f(θ)=xf(\theta) = x 關於 xx 求導)推導,最終得到代數表達式——儘管原來的三角函數是超越函式。